Что такое печатная плата (PCB)

Что такое Печатная плата (PCB)?

В. ПХД Печатные платы (Printed Circuit Boards), также называемые "печатными платами" или "печатными монтажными платами", являются основой современной электроники, предназначенной для соединения и поддержки электронных компонентов, а также для передачи сигналов и энергии.

Необходимость ПХД

До появления печатных плат схемы использовали неэффективные методы соединения:

• Проводка "точка-точка: Подвержены отказам, ухудшение изоляции приводит к коротким замыканиям.
• Обмотка проводов: Прочная, но трудоемкая конструкция, предполагающая ручное наматывание проволоки на столбы.

Когда электроника перешла от вакуумных трубок к кремниевым чипам и интегральным схемам (ИС), традиционные методы стали непрактичными, что привело к появлению печатных плат (ПП).

Структура и функции печатной платы

• Материалы: Изолирующая подложка, покрытая проводящими медными дорожками.
• Ключевые роли:
• Электрические соединения: Медные дорожки способствуют передаче сигналов и энергии.
• Механическая поддержка: Крепление компонентов; припой (металлический сплав) соединяет детали как электрически, так и физически.

Преимущества печатных плат

• Надежность и надежность: Устраняет ошибки при ручном подключении и отказы, связанные со старением.
• 3. Масштабируемость: Обеспечивает массовое производство, уменьшая размер и стоимость устройства.

Печатные платы произвели революцию в электронике, став основой современной промышленности.

Состав и структура печатных плат (ПП)

1. Субстрат

• Материалы:
• Пт4 (фр.) (Стекловолокно + эпоксидная смола): Наиболее распространенная, обеспечивает жесткость; стандартная толщина - 1,6 мм (0,063 дюйма).
• Гибкие подложки (например, полиимид/каптон): Используется для гнущихся печатных плат, выдерживает высокие температуры, идеально подходит для специализированных применений.
• Недорогие альтернативы (Фенольные/эпоксидные смолы): Встречаются в бюджетной бытовой электронике; плохо переносят нагрев, при пайке выделяют сильный запах.

2. Проводящий слой (медная фольга)

• Структура:
• Односторонний: Медь только с одной стороны (самая низкая стоимость).
• Двусторонний: Медь с обеих сторон (наиболее распространенный вариант).
• Многослойный: Чередование проводящих и изолирующих слоев (до 32+ слоев).
• Стандарты толщины меди:
• Стандарт: 1 унция на фут² (~35 мкм).
• Мощные приложения: 2-3 унции на фут² для увеличения силы тока.

3. Паяльная маска

• Функция:
• Изолирует медные дорожки для предотвращения короткого замыкания.
• Направляет пайку (например, выставляет площадки через отверстия).
• Цвет (Color): Обычно зеленый (например, в SparkFun используется красный), но можно настроить (синий, черный, белый и т.д.).

4. Слой шелкографии

• Назначение: Маркировка обозначений компонентов, полярности, контрольных точек и т.д., облегчающая сборку и отладку.
• Цвет (Color): Обычно белый, но существуют и другие варианты (черный, красный, желтый и т.д.).

Слой печатной платы Обзор структуры

1. Односторонний: Подложка → Медь → Паяльная маска → Шелкография.
2. Двусторонний: Подложка (медь с обеих сторон) → Паяльная маска → Шелкография.
3. Многослойный: Чередующиеся слои подложки и меди, покрытые паяльной маской и шелкографией.

Руководство по выбору материалов для подложек печатных плат

1. Недорогие решения (бытовая электроника)

• FR-1/FR-2 (фенольно-хлопковая бумага, она же "бакелит")
• Материалы по теме: Фенольная смола + бумажная основа
• Особенности сайта: Сверхнизкая стоимость (~1/3 от FR-4), но плохая термостойкость (склонность к обгоранию) и механическая прочность
• Приложения: Пульты дистанционного управления, игрушки и другая низкокачественная электроника

2. Стандартный материал промышленного класса

• FR-4 (эпоксидная смола для стекловолокна)
• Доля рынка: Используется в >80% обычных печатных плат
• Преимущества: Сбалансированное соотношение цены и качества, термостойкость до 130°C, стандартная толщина 1,6 мм.
• Варианты:
  • FR-3 (Бумажно-эпоксидный композит): Средний уровень между FR-2 и FR-4
  • FR-5: Высокотемпературное усиленное исполнение (выдерживает >150°C)

3. Высокочастотные приложения (>1 ГГц)

• PTFE (подложки на основе тефлона)
• Свойства: Чрезвычайно низкие диэлектрические потери (Dk=2,2), подходит для 5 ГГц + ммВолн.
• Примеры моделей: Rogers RO3000 series
• Приложения: Базовые станции 5G, спутниковая связь, радарные системы

4. Требования к высокой теплопроводности

5. Специализированные решения

• Керамические подложки (глинозем)
• Преимущества: Соответствует CTE микросхемы, выдерживает 500°C
• Обработка: Требуется лазерное сверление (высокая стоимость), например, Rogers RO4000
• Композитные материалы (серия CEM)
• CEM-1: Бумажная сердцевина + стекловолоконная поверхность (альтернатива FR-1)
• CEM-3: Стекловолокнистый мат + эпоксидная смола (полупрозрачный, распространен в Японии)

Типы печатных плат (PCB)

ПХБ в основном делятся на три основных типа по структуре слоев:

• Однослойная печатная плата

• Проводящая медь только с одной стороны подложки
• Самая простая и экономичная конструкция
• Общие применения: Базовая электроника, калькуляторы, источники питания

• Двухслойная печатная плата

• Проводящие медные слои с обеих сторон подложки
• Сквозные отверстия соединяют цепи между слоями
• Обеспечивает более сложную маршрутизацию, чем одноуровневая
• Типичные области применения: Промышленные системы управления, автомобильные приборные панели

• Многослойная печатная плата

• Многослойная структура с чередованием проводящих и изолирующих слоев (4-32+ слоев)
• Использование глухих/заглубленных отверстий для межслойных соединений
• Преимущества: Высокая плотность, улучшенная защита от электромагнитных помех
• Области применения: Смартфоны, серверы, медицинское оборудование

Функции печатных плат

1. Электрическое подключение

• Функциональность: Медные дорожки точно соединяют компоненты (резисторы, конденсаторы, микросхемы и т.д.), формируя топологии цепей.
• Технические преимущества:
• Высокая надежность: Заменяет ручное подключение, устраняя риск короткого замыкания/обрыва цепи (например, материнские платы смартфонов с точностью трассировки 0,1 мм).
• Целостность сигнала: В многослойных конструкциях (например, 6+ слоев) используются плоскости заземления/питания для уменьшения перекрестных помех (что очень важно для высокочастотных устройств связи).
• В качестве примера: Компьютерные материнские платы обеспечивают высокоскоростную передачу данных (например, по линиям PCIe 4.0) между процессором, оперативной памятью и графическим процессором с помощью маршрутизации на печатной плате.

2. Механическая поддержка

• Структурное проектирование:
• Варианты жесткости/гибки: В бытовой электронике используются жесткие платы FR4, а в носимых устройствах - гибкие печатные платы (например, изгибаемые схемы Apple Watch).
• Способы монтажа: Смешанные SMT (например, резисторы 0402) и THT (например, силовые разъемы) компоновки обеспечивают баланс между плотностью и долговечностью.
• Практическая ценность: Контроллеры для беспилотных летательных аппаратов достигают снижения веса и устойчивости к вибрациям благодаря облегченной конструкции печатных плат (например, на алюминиевых подложках).

3. Защита цепи

• Механизмы защиты:
• Изолирующая подложка: Материалы FR4 выдерживают напряжение до 500 В/мм, предотвращая утечку (например, печатные платы адаптеров питания).
• Маска для пайки: Зеленое эпоксидное покрытие предотвращает окисление/короткое замыкание (часто встречается в районе USB-портов).
• Специальные процедуры: Автомобильные печатные платы используют конформное покрытие (анти-влажность, анти-коррозия) для жестких условий эксплуатации.

4. Терморегулирование

• Техника охлаждения:
• Распространение медного теплаМедь толщиной 2 унции в платах светодиодных драйверов снижает температуру спаев.
• Тепловая оптимизация: В серверных материнских платах используются тепловые каналы и прокладки для передачи тепла к корпусам (например, к платам Intel Xeon).
• Специальные материалы: Керамические подложки (например, нитрид алюминия, 170 Вт/мК) для мощных IGBT-модулей.

5. Оптимизация пространства

• Передовые процессы:
• Технология HDI: Слепые/заглубленные проходы позволяют укладывать 10 слоев в платы для смартфонов (например, Any-layer HDI в iPhone).
• Via-in-Pad: Заполненные смолой межслойные отверстия JLCPCB предотвращают утечку припоя под BGA-чипами (например, процессорами Snapdragon).
• Эффективность затрат: Компактная компоновка (например, печатные платы для смарт-часов размером 20 мм × 30 мм) снижает стоимость единицы продукции.

Расширенные приложения

• Высокочастотный: В печатных платах для базовых станций 5G используется тефлон (ε=2,2) для минимизации потерь сигнала.
• Высокая надежность: Аэрокосмические печатные платы с золотым покрытием толщиной 50 мкм обеспечивают долговременную стабильность.

Благодаря инновациям в области материалов, процессов и дизайна печатные платы продолжают стимулировать электронику к повышению производительности, миниатюризации и надежности.

Процесс производства печатных плат Подробное объяснение

Процесс изготовления однослойных печатных плат (9 основных этапов)

1. Инженерный дизайн: Вывод файла Gerber и подтверждение процесса
2. Резка подложки: Прецизионная резка FR-4 (допуск ±0,1 мм)
3. Сухое пленочное ламинирование: Перенос рисунка с помощью экспозиции LDI
4. Кислотное травление: 35 мкм (1 унция) травления меди
5. Печать паяльных масок: Применение жидких фотоизображаемых чернил (LPI)
6. Шелкография: Белая маркировка эпоксидными чернилами
7. Отделка поверхности: Возможны варианты HASL/ENIG/OSP
8. Фрезерование с ЧПУ: V-CUT или фрезерная контурная резка
9. Окончательное тестирование: AOI + тестирование летающим зондом

Основные отличия двухслойных печатных плат

• Процесс нанесения покрытия через отверстие (PTH):
• Химическое осаждение меди: Покрытие стенок 0,3-1 мкм
• Гальваническое покрытие: Достигается медь в отверстиях 20-25 мкм (стандарт IPC-6012)
• Улучшенная передача рисунка:
• Вторичное медное покрытие: Увеличивает толщину до 50-70 мкм
• Оловянно-свинцовая защита: Слой, устойчивый к травлению (в современных альтернативах используется чистое олово)

Процесс изготовления сердечника многослойной печатной платы (пример с 12 слоями)

• Производство внутреннего слоя:

• Ламинирование сердечника→экспозиция→линия DES (Develop/Etch/Strip)
• Контроль AOI внутреннего слоя (уровень дефектов <0,1%)

• Параметры ламинирования:

• Структура наплавки: Медная фольга + препрег (ПП) + сердцевина
• Условия прессования: 180℃/400psi/120 минут

• Технология бурения:

• Лазерные микровоины: диаметр 50-100 мкм (платы HDI)
• Механическое сверление: Не менее 0,2 мм (6+-слойные плиты)

• Специальные процедуры:

• Сквозное заполнение: Обеспечивает надежность соотношения сторон 8:1
• Контроль импеданса: допуск ±10% (±5% для радиочастотных плат)

Эволюция современных процессов

Экологически безопасные обновления:

• Безцианидное золотое покрытие: Импульсное гальваническое покрытие
• Очистка сточных вод: >95% восстановление меди

Стандарты качества (IPC-A-600G)

• Класс 2: Бытовая электроника
• Класс 3: Военный/медицинский класс
• Ключевые параметры: Минимальная ширина линии/расстояния, равномерность меди, качество стенок отверстия

Процесс производства печатных плат: От проектирования до сборки

1. Дизайн печатной платы

• Программные инструменты: Инструменты САПР (например, Altium Designer, KiCad, Eagle) определяют схему, трассы и размещение компонентов.
• Проектный выход: Создаются файлы Gerber (для изготовления) и BOM (ведомость материалов).
• Роль производителя комплектующих: Производители оригинального оборудования (OEM) дорабатывают дизайн перед отправкой его производителям печатных плат.

2. Изготовление печатных плат

Дизайн превращается в физическую плату с помощью:

• Травление: Медные слои подвергаются химическому травлению для формирования проводящих дорожек.
• Бурение: Отверстия сверлятся для прокладок и сквозных отверстий в компонентах (механическое или лазерное сверление).
• Ламинирование: Многослойные печатные платы склеиваются под воздействием тепла и давления.
• Отделка поверхности: Опции включают HASL (выравнивание пайки горячим воздухом), ENIG (золото, погруженное в никель) и OSP (органический консервант паяемости).

3. Сборка печатной платы (PCBA)

Компоненты устанавливаются на печатную плату с помощью:

A. Технология сквозных отверстий (THT)

• Компоненты с выводами, вставленными в просверленные отверстия.
• Припаяйте с противоположной стороны (пайка волной или ручная пайка).
• Плюсы: Прочные механические соединения, высокая надежность.
• Cons: Большая площадь, медленная сборка.

B. Технология поверхностного монтажа (SMT)

• Компоненты размещаются непосредственно на печатных платах.
• Процесс:

1. Применение паяльной пасты: Трафаретная печать отложений пасты на подушечках.
2. Pick-and-Place: Роботы позиционируют детали с высокой точностью.
3. Пайка оплавлением: Плата нагревается для расплавления паяльной пасты.

• Плюсы: Меньший размер, быстрый монтаж, лучше для высокочастотных схем.
• Cons: Требует точного оборудования, сложнее поддается переделке.

C. Смешанная сборка (SMT + THT)

• Некоторые платы сочетают оба метода (например, крупные разъемы - в THT, микросхемы - в SMT).

4. Тестирование и контроль качества

• Автоматизированный оптический контроль (AOI): Проверяет наличие дефектов пайки.
• Внутрисхемное тестирование (ICT): Проверяет электрические характеристики.
• Функциональное тестирование: Обеспечивает работу печатной платы в соответствии с ее назначением.

Почему современные печатные платы предпочитают SMT?

• Меньший размер (позволяет использовать компактные устройства, такие как смартфоны).
• Более высокая плотность компонентов (больше функциональности на единицу площади).
• Более быстрая сборка (подходит для массового производства).
• Улучшенные высокочастотные характеристики (более короткие трассы снижают уровень электромагнитных помех).

Компоненты печатных плат и современные тенденции в дизайне

1. Основные компоненты печатной платы

Печатные платы объединяют различные электронные компоненты в зависимости от их применения. К основным типам относятся:

2. Технология высокоплотного межсоединения (HDI)

В современных печатных платах все чаще используются HDI-конструкции для удовлетворения требований миниатюризации:

Ключевые особенности печатных плат HDI:

• Повышенная плотность проводки (микровии, более мелкие следы < 50 мкм)
• Больше компонентов на единицу площади (уложенные проходы, глухие/заглубленные проходы)
• Уменьшенный размер/вес (очень важно для портативных устройств)

Приложения:

• Потребительская электроника: Смартфоны, носимые устройства
• Медицина: Имплантируемые устройства, диагностические инструменты
• Автомобили: ADAS, информационно-развлекательные системы

Преимущества по сравнению с традиционными печатными платами:

• Улучшенная целостность сигнала (более короткие межсоединения снижают уровень электромагнитных помех)
• Низкое энергопотребление (оптимизированные макеты)
• Экономическая эффективность (меньшее количество слоев, необходимых для той же функциональности)

3. Рекомендации по выбору компонентов

• Конструкции с ограниченным пространством: Предпочтение отдается SMT-компонентам + HDI-маршрутизации.
• Мощные схемы: Используйте печатные платы из толстой меди с теплоотводами.
• Высокочастотные приложения: Выбирайте материалы с низким уровнем Dk (например, подложки Rogers).

Ключевые факторы проектирования печатных плат

1. Основные элементы дизайна макета

(1) Оптимизация электрических характеристик

• Ширина трассировки: Рассчитано на основе токовой нагрузки (например, 1 унция меди, ток 1 А требует ширины трассы ≥0,3 мм).
• Правила расстановки:
• Сигнальные линии: ≥3× ширина трассы (для предотвращения перекрестных помех).
• Высоковольтные линии: Соблюдайте стандартные расстояния IPC-2221.
• Via Design:
• Сквозные отверстия: Диаметр отверстия ≥ толщины платы/8 (обеспечивает надежность покрытия).
• Слепые/заглубленные отверстия: Распространены в платах HDI (просверлены лазером, диаметр 50-100 мкм).

(2) Принципы размещения компонентов

• Функциональное зонирование: Изолируйте аналоговые/цифровые/силовые секции.
• Терморегулирование: Держите сильно нагревающиеся компоненты (например, процессоры) подальше от чувствительных к температуре деталей.
• DFA (дизайн для сборки):
• Расстояние между компонентами SMT ≥0,5 мм.
• Оставьте 5 мм зазора между кромками инструмента.

2. Ключевые стратегии обеспечения целостности сигнала (SI)

Советы по проектированию высокочастотных устройств:

• Контроль импеданса: допуск ±10% (например, дифференциальные пары USB при 90Ω±10%).
• Змеевидная трасса: Для согласования длины амплитуда ≥5× ширина трассы.

3. Проверки на технологичность (DFM)

• Инженерная верификация CAM:
• Минимальная трассировка/пространство ≥ возможности изготовления (например, 4/4mil).
• Мостики паяльной маски ≥0,1 мм (предотвращает короткое замыкание припоя).
• Симметричная конструкция штабеля: Предотвращает коробление многослойных плит.

4. Система тестирования и валидации

(1) Производственное тестирование

• AOI (автоматизированная оптическая инспекция):
• Уровень обнаружения дефектов: 99,7% (мостики припоя/ смещение).
• Точность сканирования: 10 мкм @ 50 МП камера.
• ICT (внутрисхемное тестирование):
• Покрытие тестов >95% (с помощью приспособления "кровать с ногтями").

(2) Функциональная валидация

• Экологический стресс-скрининг (ESS): -40℃~85℃ термоциклирование.
• Тесты сигнальных глазковых диаграмм: USB3.0 должен соответствовать требованиям маски >20%.

5. Инструментарий расширенного проектирования

• Программное обеспечение для моделирования:
• Анализ SI/PI: HyperLynx, Sigrity.
• Тепловое моделирование: Flotherm, Icepak.
• Совместный дизайн:
• Интеграция 3D ECAD-MCAD.
• Контроль версий: Git для файлов дизайна печатной платы.

Сертификация в области производства печатных плат

1. Сертификация UL (соответствие требованиям безопасности)

Организация: Underwriters Laboratories Inc. (американский лидер в области науки о безопасности)

Виды сертификации:

• Листинг: Полная сертификация безопасности продукции (например, электроники конечного использования)
• Признанный компонент (RU): Для компонентов, таких как печатные платы (наиболее распространено для производителей печатных плат)
• Классификация: Специализированные испытания для конкретных видов опасности

Отраслевая направленность печатных плат:

• Производители должны вести учет материалов, одобренных UL (базовые ламинаты, препреги, паяльные маски).
• Каждый сертифицированный объект получает уникальный номер файла UL (например, Shengtai's E142470).
• Критично для:
• Доступ на североамериканский рынок
• Защита ответственности
• Квалификация в области цепочки поставок

2. ISO 9001 (управление качеством)

Ключевые требования:

• Стандартизация процессов
• Непрерывное совершенствование
• Показатели удовлетворенности клиентов

Реализация печатных плат:

• Типичные области применения:
• Управление процессом (допуск на импеданс ±5%)
• Отслеживание уровня дефектов (например, <500 DPPM)
• Своевременная доставка (целевой показатель >98%)

3. ISO 14001 (экологический менеджмент)

Драйверы соответствия:

• Очистка сточных вод (сброс меди < 0,5 ppm)
• Энергоэффективность (кВт-ч/м² производства)
• Контроль за запасами химикатов

Преимущества рынка:

• 62% мировых OEM-производителей требуют экологической сертификации
• Обеспечивает доступ на рынки ЕС/Японии
• Сокращение нормативных штрафов на 30-40%

4. IATF 16949 (качество в автомобильной промышленности)

Специализированные требования:

• Внедрение FMEA процессов
• Документация PPAP
• Решение проблем 8D
• Дефектные цели 0 ppm

Влияние на цепочку поставок:

• Обязательно для поставщиков автомобилей Уровня 1/Уровня 2
• Требуются индексы возможностей процесса (CpK >1,67)
• Ежегодные контрольные аудиты

5. Соответствие RoHS (ограничения на материалы)

Пределы вещества:

Методы тестирования:

• XRF скрининг
• Проверка методом ИСП-МС
• Ежегодное декларирование поставщиков

6. Регламент REACH (химическая безопасность)

Рамки соответствия:

• 241 вещество SVHC (по состоянию на 2023 год)
• Отчетность по базе данных SCIP
• Требования к документации SDS

Вызовы индустрии печатных плат:

• Соответствие требованиям к ламинату без галогенов
• Химический состав паяльного флюса
• Формулы конформных покрытий

Матрица стратегии сертификации

Обзор областей применения печатных плат

Являясь основным компонентом электронных изделий, печатные платы проникли в различные технологические отрасли:

• Потребительская электроника

• Смартфоны/планшеты: 8-12-слойные доски высокой плотности
• Умный дом: Модули управления Wi-Fi
• Носимые вещи: Гибкие, сгибаемые схемы

• Инфраструктура связи

• Базовые станции 5G: Высокочастотные специализированные подложки
• Центры обработки данных: Конструкции для высокоскоростной передачи сигналов

• Автомобильная электроника

• Обычные транспортные средства: 4-6-слойные платы управления
• Электромобили: системы управления высоковольтными батареями

• Промышленное оборудование

• Робототехника: Виброустойчивые конструкции из толстой меди
• Автоматизация: Схемы, устойчивые к высоким температурам

• В аэрокосмической промышленности

• Спутники: Специальные подложки с радиационной защитой
• Самолеты: Конструкции, адаптированные к экстремальным температурам

• Энергетические системы

• Интеллектуальные сети: требования к высокой надежности
• Возобновляемые источники энергии: модули преобразования высокой мощности

Технологические тенденции:

• Повышенная интеграция (миниатюризация компонентов)
• Улучшенный тепловой дизайн (материалы с высокой проводимостью)
• Повышенная устойчивость к внешним воздействиям (военные стандарты)

Технология печатных плат продолжает стимулировать инновации в электронных устройствах во всех отраслях промышленности.

Рекомендуемое чтение

Материал подложки печатной платы
Классификация ПХД
Как создать печатную плату
Дизайн макета печатной платы